关节单元、指形装置及抓手制造方法及图纸

本申请公开一种关节单元、指形装置及抓手，通过连接件将圆柱形EAP驱动器和SMA驱动器结合，利用圆柱形EAP驱动器的直线驱动实现关节单元的移动自由度，利用SMA驱动器实现了关节单元的转动自由度，解决了现有技术中使用EAP驱动和SMA驱动的机械手指的工作空间较小的技术问题，同时由于本申请将所述圆柱形EAP驱动器和SMA驱动器以首尾串联的形式连接，将所述关节单元用于执行末端时位置、运动以及力学反解运算简单，有利于提供反应速度。

【技术实现步骤摘要】
关节单元、指形装置及抓手
本申请涉及多自由度柔性机械手
，具体而言，涉及关节单元、指形装置及抓手。
技术介绍
近年来，在先进驱动技术得到不断发展的同时，许多智能驱动材料被应用于新型驱动器的制造领域。按照采用的动力源不同，目前广泛应用与机电系统的驱动技术主要有气动驱动、电机\减速器驱动、形状记忆合金驱动(ShapeMemoryAlloy,SMA)、压电驱动以及基于电致变形聚合物(electro-activepolymer，EAP)的驱动器。其中，作为一种典型的人工肌肉材料，EAP既可以用作驱动器将电能转换为机械能，亦可将机械能转换为电能实现发电或传感。应用此材料研制的EAP发电机或作动器与传统的电磁式、压电式发电机或作动器相比，具有能量密度高、电致变形大、柔性可穿戴、驱动-传感一体化、转化效率高、环境影响小、成本低、质量轻等优点，近年来受到越来越多的关注，基于该材料的航天武器装备研究快速发展，包括空间柔性抓捕手、变翼式飞行器、波浪能发电系统等。EAP有两种工作模式：(1)驱动模式。EAP两侧敷有柔性电极，施加电压后，两面电极上的异性电荷相互吸引，EAP在静电场作用下，厚度变薄、面积变大，完成电能向机械能转换(图1a))。(2)发电模式。先由外力拉伸EAP，给其充电。当EAP自由收缩时，电极间电压将会增加，EAP存储的能量也就增加，增加的电能就等于外力拉伸EAP所做的功，将机械能转换为电能(图1b))。从变形机理可以看出，在没有任何约束的情况下，材料在电刺激下只能发生面内变形，而基于EAP软材料的变形特性进行相应的结构设计进而实现结构的三维变形，即EAP驱动器。EAP驱动器作为一类新型电致驱动器，具有结构简单、重量轻、能量转换率高等优点，在原有结构基础上，通过将材料预拉伸处理，可以进一步提高结构的输出特性。目前有卷轴型、锥形、延伸型、圆柱形型等等，这其中圆柱形EAP驱动器制作、加工简单，在工作过程中具有较高的稳定性，较大的输出位移和输出功，因此具有很好的应用前景。EAP圆柱形驱动器变形机理如图2、3所示：其驱动过程如下：图2中f1(l)、f2(l)、f3(l)分别为压缩弹簧及EAP膜断电、通电后的刚度曲线，f3(l)曲线在f2(l)曲线的下方。横坐标l表示驱动器有效部分的横向长度，lp为其静态、未施加电压时的长度。在未施加恒值预载荷时，如图2所示，压缩弹簧的回复力和介电型EAP膜的弹性拉力平衡，驱动器处于平衡状态。施加电压后静电压力使刚度曲线f2(l)、f3(l)之间产生力差ΔF(1)，弹簧回复力大于膜的拉力，使驱动器产生轴向伸长运动。运动到b点时，弹簧回复力减小，并与通电后膜的拉力f3(l)再次达到平衡，驱动器停止伸长。同样在断电后，刚度曲线之间产生断电力差ΔF(0)使驱动器回复到平衡位置。三条刚度曲线的交点在位移轴上的投影即为驱动器的伸长位移Δl。根据上述分析，驱动器在轴向伸长过程中能驱动负载对外做功，其能带动的负载随驱动器的伸长而逐渐减小，直至0。形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)作为一种智能材料，在适度刺激下，会发生低温马氏体和高温奥氏体之间的可逆相变，其内部微观结构发生变化，在相变过程在表现出形状记忆效应现象。形状记忆效应是指合金所具有的在高温定型后，冷却到低温，施加变形，再加热到某一确定温度后，能恢复到变形前的形状，并且这一过程能够重复实现的特性。形状记忆合金其形状记忆效应的本质为马氏体相变及其逆相变，其具体相变过程为：在马氏体状态下产生的一定的形状变形，当外界温度有所升高且高于奥氏体开始相变点As时会回复为原母相的形状,如图4所示。文献号为CN101585188A的专利文献公开了一种基于介电型EAP的多维主动关节，该主动关节由上至下依次同轴设置上框、下框，上框内设置有内框，内框与上框之间采用铰接机构铰接，轴的上端与内框固定，轴的下端穿过导向套，导向套和下框均与基底固定连接，上框与下框之间同轴对称设置2n个介电型EAP驱动器，所述介电型EAP驱动器通过连杆连接在上框与下框的骨架上，其中n为自然数。本专利技术结构简单、成本低、质量轻、工作灵活，但作为一种并联机构，其存在反解困难、工作间较小的缺点。文献号为CN101053956A的专利文献公开了一种基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节，结构主体为胡克铰机构，由定铰链架1、十字轴6、动铰链架7组成，四个滑轮5分别固接在十字轴6的四个轴肩上，十字轴6的四个轴肩分别套接在定铰链架1、动铰链架7的侧壁圆孔上，四根绳索4分别绕在四个滑轮5上，每根绳索4的两端分别连接一根SMA弹簧3，SMA弹簧3的另一端连接在其所在一侧的铰链架上。本专利技术简化了结构和控制环节，减少了误差，提高了关节自由度和刚度，但其限于转动自由度，在实际应用中同样存在工作间较小的缺点。
技术实现思路
本申请实施例提供了一种关节单元、指形装置及抓手，至少解决现有技术中使用EAP驱动和SMA驱动的机械手指的工作空间较小的技术问题。本申请提供的关节单元，包含：圆柱形EAP驱动器，所述圆柱形EAP驱动器包含：第一弹簧，所述第一弹簧包含第一端与第二端；导杆，所述导杆与所述第一弹簧同轴向设置；EAP薄膜，所述EAP薄膜在所述第一弹簧上卷绕若干层，其中，所述EAP薄膜上配置有若干柔性导电单元，所述柔性导电单元包含电极引出线，所述电极引出线与第一电源连接；SMA驱动器，所述SMA驱动器包含：第二弹簧，所述第二弹簧包含第一端与第二端；SMA丝，若干所述SMA丝沿所述第二弹簧的轴向设置但非同轴，所述SMA丝与第二电源连接；以及，连接件，所述连接件包含第一端和第二端，其中，所述连接件的第一端与所述第一弹簧的第二端连接，所述连接件的第二端与所述第二弹簧的第一端连接；其中，所述连接件上设置：通孔，所述导杆穿过所述连接件。优选地，所述圆柱形EAP驱动器还包含：第一限位件，所述第一限位件与所述导杆连接。优选地，所述柔性导电单元包含第一部、第二部和连接部；所述第一部、第二部和连接部呈H形设置，其中所述第一部和所述第二部间隔设置且通过所述连接部连接；所述第一部和所述第二部均是从所述第一弹簧的第一端延伸至第二端；所述第一部及所述第二部分别位于所述第一弹簧所在的圆柱体的相对的两侧；卷绕的每层所述EAP薄膜上均设有一个所述柔性导电单元。优选地，所述EAP薄膜上涂覆导电涂液或碳膏作为所述柔性导电单元。优选地，绕卷在所述第一弹簧上的所述EAP薄膜在互相垂直的两个方向拉伸变形量均为300-500％。优选地，所述EAP薄膜在所述第一弹簧上卷绕1至2层。优选地，所述SMA驱动器还包含：第二限位件，所述第二限位件与所述第二弹簧的第二端连接；所述第二限位件和连接件固定所述SMA丝的两端。优选地，若干所述SMA丝相对于所述第二弹簧的中心分布。本申请还提供一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.关节单元，其特征在于，包含：/n圆柱形EAP驱动器，所述圆柱形EAP驱动器包含：/n第一弹簧，所述第一弹簧包含第一端与第二端；/n导杆，所述导杆与所述第一弹簧同轴向设置；/nEAP薄膜，所述EAP薄膜在所述第一弹簧上卷绕若干层，其中，所述EAP薄膜上配置有若干柔性导电单元，所述柔性导电单元包含电极引出线，所述电极引出线与第一电源连接；/nSMA驱动器，所述SMA驱动器包含：/n第二弹簧，所述第二弹簧包含第一端与第二端；/nSMA丝，若干所述SMA丝沿所述第二弹簧的轴向设置但非同轴，所述SMA丝与第二电源连接；/n以及，/n连接件，所述连接件包含第一端和第二端，其中，所述连接件的第一端与所述第一弹簧的第二端连接，所述连接件的第二端与所述第二弹簧的第一端连接；/n其中，所述连接件上设置：/n通孔，所述导杆穿过所述连接件。/n

【技术特征摘要】
1.关节单元，其特征在于，包含：
圆柱形EAP驱动器，所述圆柱形EAP驱动器包含：
第一弹簧，所述第一弹簧包含第一端与第二端；
导杆，所述导杆与所述第一弹簧同轴向设置；
EAP薄膜，所述EAP薄膜在所述第一弹簧上卷绕若干层，其中，所述EAP薄膜上配置有若干柔性导电单元，所述柔性导电单元包含电极引出线，所述电极引出线与第一电源连接；
SMA驱动器，所述SMA驱动器包含：
第二弹簧，所述第二弹簧包含第一端与第二端；
SMA丝，若干所述SMA丝沿所述第二弹簧的轴向设置但非同轴，所述SMA丝与第二电源连接；
以及，
连接件，所述连接件包含第一端和第二端，其中，所述连接件的第一端与所述第一弹簧的第二端连接，所述连接件的第二端与所述第二弹簧的第一端连接；
其中，所述连接件上设置：
通孔，所述导杆穿过所述连接件。


2.根据权利要求1所述的关节单元，其特征在于，所述圆柱形EAP驱动器还包含：
第一限位件，所述第一限位件与所述导杆连接。


3.根据权利要求1所述的关节单元，其特征在于，所述柔性导电单元包含第一部、第二部和连接部；
所述第一部、第二部和连接部呈H形设置，其中所述第一部和所述第二部间隔设置且通过所述连接部连接；所述第一部和所述第二部均是从所述第一弹簧的第一端延伸至...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，李秉洋，吴怀松，罗斌，焦志伟，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11